FR2836279A1

FR2836279A1 - Cathode structure of triode type, comprises electrode supporting layer of electron emitting material exposed through opening cut in grid electrode

Info

Publication number: FR2836279A1
Application number: FR0202075A
Authority: FR
Inventors: Jean Dijon; Adeline Fournier; Brigitte Montmayeul
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: WO2003071571A8; EP1476888A1; JP2005518636A; WO2003071571A1; JP5425753B2; US7759851B2; DE60333168D1; FR2836279B1; EP1476888B1; KR100944731B1; CN1316533C; ATE472820T1; KR20040079404A; US20040256969A1; JP2011103303A; CN1552084A

Abstract

A cathode structure of triode type comprises, superposed, a cathode forming electrode (13) and supporting a layer of electron emitting material (14), an electrical insulating layer (11) and a grid electrode (15). An opening (12) cut in the grid electrode and in the electrical insulating layer exposes the layer of electron emitting material. The layer of electron emitting material is situated in the central part of the opening in the grid electrode. An Independent claim is also included for a flat field emission screen incorporating several of the above cathode structures.

Description

STRUCTURE DE CATHODE POUR ECRAN EMISSIF
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une structure de cathode utilisable dans un écran plat à émission de champ. CATHODE STRUCTURE FOR EMISSIVE SCREEN
DESCRIPTION TECHNICAL FIELD
The present invention relates to a cathode structure for use in a field emission flat screen.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ comprend une cathode ou structure émettrice d'électrons et une anode en regard recouverte d'une couche luminescente. L'anode et la cathode sont séparées par un espace où le vide a été fait. STATE OF THE PRIOR ART
A cathodoluminescence display device excited by field emission comprises a cathode or electron-emitting structure and a facing anode covered with a luminescent layer. The anode and the cathode are separated by a space where the vacuum has been made.

La cathode est soit une source à base de micro-pointes, soit une source à base d'une couche

e émissive à faible champ seuil. La couche émissive peut être une couche de nanotubes de carbone ou d'autres structures à base de carbone ou encore à base d'autres matériaux ou de multicouches (AIN, BN). The cathode is either a source based on micro-tips or a source based on a layer

emissive with low threshold field. The emissive layer may be a layer of carbon nanotubes or other carbon-based structures or else based on other materials or multilayers (AlN, BN).

La structure de la cathode peut être de type diode ou de type triode. Le document FR-A- 2 593 953 (correspondant au brevet américain NO 4 857 161) divulgue un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ. La structure de la cathode est du type triode. Le matériau émetteur d'électrons est déposé sur une couche conductrice apparente au fond de trous réalisés dans une couche The structure of the cathode may be diode or triode type. Document FR-A-2,593,953 (corresponding to US Pat. No. 4,857,161) discloses a method of manufacturing a cathodoluminescence display device excited by field emission. The structure of the cathode is of the triode type. The electron-emitting material is deposited on an apparent conductive layer at the bottom of holes made in a layer

isolante qui supporte une grille d'extraction des électrons. insulation which supports an electron extraction grid.

La figure 1 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type triode selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ. Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 1 en matériau électriquement isolant est percée d'un trou circulaire 2. Au fond du trou 2 est disposée une couche conductrice 3 supportant une couche 4 de matériau émetteur d'électrons. La face supérieure de la couche d'isolant 1 supporte une couche métallique 5 formant grille d'extraction et entourant le trou 2. Dans cette structure, la couche émissive 4 a tendance à provoquer des courts-circuits entre la grille 5 et la couche conductrice ou cathode 3. Cette tendance se manifeste en particulier si la couche émissive est constituée de nanotubes de carbone. Au niveau de la couche émissive, le champ électrique, qui est maximum en bordure du trou, comporte une composante latérale EL (parallèle au plan de la cathode) importante (comparable à la composante perpendiculaire Ex du champ électrique) qui fait diverger le faisceau d'électrons et induit des problèmes de résolution au niveau de l'écran. Ceci constitue un inconvénient important lorsque la distance anode-cathode augmente et peut amener à rendre l'écran plus complexe par l'ajout d'autres grilles destinées à focaliser le faisceau d'électrons. FIG. 1 is a sectional and diagrammatic view of a triode type cathode structure according to the prior art, for a field emission excited cathodoluminescence display device. A single transmission device is shown in this figure. A layer 1 of electrically insulating material is pierced with a circular hole 2. At the bottom of the hole 2 is disposed a conductive layer 3 supporting a layer 4 of electron-emitting material. The upper face of the insulating layer 1 supports a metal layer 5 forming extraction grid and surrounding the hole 2. In this structure, the emitting layer 4 tends to cause short circuits between the gate 5 and the conductive layer or cathode 3. This tendency manifests itself in particular if the emissive layer consists of carbon nanotubes. At the level of the emissive layer, the electric field, which is maximum at the edge of the hole, has a lateral component EL (parallel to the plane of the cathode) important (comparable to the perpendicular component Ex of the electric field) which makes diverge the beam of electrons and induces resolution problems at the screen. This is a significant disadvantage when the anode-cathode distance increases and may cause the screen to be more complex by the addition of other grids for focusing the electron beam.

EXPOSE DE L'INVENTION
Il est ici proposé une structure de cathode à couche émissive, de type triode pour laquelle les électrons émis par la couche émissive sont soumis à un champ électrique latéral faible, ce qui minimise les risques de court-circuit entre la grille et la cathode et ce qui limite la divergence du faisceau d'électrons émis par la couche émissive. SUMMARY OF THE INVENTION
It is here proposed a triode-type emitting layer cathode structure for which the electrons emitted by the emitting layer are subjected to a weak lateral electric field, which minimizes the risks of short-circuit between the gate and the cathode and this which limits the divergence of the electron beam emitted by the emitting layer.

L'invention a donc pour objet une structure de cathode de type triode comprenant, en superposition, une électrode formant cathode et supportant une couche de matériau émetteur d'électrons, une couche d'isolant électrique et une électrode de grille, une ouverture pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique exposant la couche de matériau émetteur d'électrons, caractérisée en ce que la couche de matériau émetteur d'électrons est située dans la partie centrale de l'ouverture de l'électrode de grille. The subject of the invention is therefore a triode type cathode structure comprising, in superposition, a cathode electrode and supporting a layer of electron-emitting material, an electrical insulating layer and a gate electrode, an opening made in a the gate electrode and in the electrical insulating layer exposing the layer of electron-emitting material, characterized in that the layer of electron-emitting material is located in the central part of the opening of the electrode of wire rack.

Selon un mode de réalisation avantageux, l'ouverture pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique étant rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons est également rectangulaire. According to an advantageous embodiment, the opening made in the gate electrode and in the electrical insulating layer being rectangular, the layer of electron-emitting material is also rectangular.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, une couche résistive est interposée entre l'élément formant cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons. According to another advantageous embodiment, a resistive layer is interposed between the cathode element and the layer of electron-emitting material.

De préférence, la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de Preferably, the layer of electron-emitting material is separated from the

grille d'une distance supérieure à la taille des objets constituant le matériau émetteur d'électrons. grid a distance greater than the size of the objects constituting the electron-emitting material.

Le matériau émetteur d'électrons peut être constitué de nanotubes de carbone. The electron emitting material may be carbon nanotubes.

Avantageusement, la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de grille d'une distance telle que la composante parallèle du champ électrique soit au moins dix fois plus faible que la composante perpendiculaire de ce champ. Advantageously, the layer of electron-emitting material is separated from the gate electrode by a distance such that the parallel component of the electric field is at least ten times smaller than the perpendicular component of this field.

L'invention a aussi pour objet un écran plat à émission de champ comportant une pluralité de structures de cathode telles que définies ci-dessus. The invention also relates to a flat field emission screen comprising a plurality of cathode structures as defined above.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'art connu, - la figure 2 est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe d'une autre structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 5 est un diagramme représentant la répartition spatiale du champ électrique pour une structure de cathode de type triode selon l'invention, BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, accompanied by the appended drawings in which: FIG. 1, already described, is a sectional view of a cathode structure of the triode type according to the known art, - Figure 2 is a sectional view of a cathode structure of the triode type according to the invention, - Figure 3 is a view from above of a cathode structure of the triode type according to the invention, - Figure 4 is a sectional view of another cathode structure of the triode type according to the invention, - Figure 5 is a diagram showing the spatial distribution of the electric field for a cathode structure of triode type according to the invention,

- la figure 6 est une figure explicative de dimensions à respecter pour une structure de cathode de type triode selon l'invention, - les figures 7A à 7F illustrent un procédé de réalisation d'une structure de cathode de type triode selon l'invention. FIG. 6 is an explanatory figure of dimensions to be respected for a cathode structure of the triode type according to the invention; FIGS. 7A to 7F illustrate a method of producing a cathode structure of the triode type according to the invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION
La figure 2 est une vue schématique et en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention. Cette structure de cathode comprend, en superposition, une couche conductrice ou cathode 13 supportant une couche 11 en matériau électriquement isolant et une couche métallique 15 formant grille d'extraction des électrons. La couche isolante 11 et la couche métallique 15 sont percées d'un trou 12 exposant la cathode 13 et de largeur L. Au centre du trou 12 est disposée une couche de matériau émetteur d'électrons 14. La largeur d de la couche émissive 14 est faible par rapport à la largeur L du trou 12. La distance séparant la couche métallique 15 de la couche émissive 14 est appelée S. Le trou 12 peut être de forme circulaire. DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Figure 2 is a schematic sectional view of a cathode structure of triode type according to the invention. This cathode structure comprises, in superposition, a conductive layer or cathode 13 supporting a layer 11 of electrically insulating material and a metal layer 15 forming an electron extraction grid. The insulating layer 11 and the metal layer 15 are pierced with a hole 12 exposing the cathode 13 and of width L. At the center of the hole 12 is disposed a layer of electron-emitting material 14. The width d of the emitting layer 14 is small relative to the width L of the hole 12. The distance separating the metal layer 15 from the emissive layer 14 is called S. The hole 12 may be circular in shape.

La figure 3 est une vue de dessus de la structure de cathode représentée à la figure 2 dans le cas où le trou 12 est de forme rectangulaire. Le trou 12 est alors une gorge de largeur L et dont la dimension suivant l'axe Z est celle du pixel de l'écran. Figure 3 is a top view of the cathode structure shown in Figure 2 in the case where the hole 12 is rectangular. The hole 12 is then a groove of width L and whose dimension along the Z axis is that of the pixel of the screen.

Cette géométrie de trou est plus favorable que la géométrie circulaire. En effet, par raison de This hole geometry is more favorable than circular geometry. Indeed, because of

symétrie, il n'y a pas de composante latérale du champ électrique suivant l'axe Z, donc la surface émissive satisfaisant la condition EL Ex est plus importante dans cette géométrie que dans la géométrie cylindrique. Dans une géométrie cylindrique, le rapport entre la surface émissive et la surface du trou vaut (d/L) 2. symmetry, there is no lateral component of the electric field along the Z axis, so the emissive surface satisfying the EL Ex condition is more important in this geometry than in the cylindrical geometry. In a cylindrical geometry, the ratio between the emitting surface and the surface of the hole is (d / L) 2.

Dans une géométrie rectangulaire, ce rapport vaut d/L. In a rectangular geometry, this ratio is d / L.

Comme d/L est inférieur à 1, le-rapport d/L est donc toujours supérieur à (d/L) 2, ce qui correspond à un écran beaucoup plus brillant. Since d / L is less than 1, the ratio d / L is therefore always greater than (d / L) 2, which corresponds to a much brighter screen.

Un autre mode de réalisation avantageux est celui où une couche résistive est ajoutée entre la couche émissive et la cathode. Dans ce cas, la couche résistive protège la grille et la cathode d'un éventuel court-circuit. Par ailleurs, cette couche résistive est très favorable au fonctionnement de l'écran comme cela est annoncé dans le document EP-A-0 316 214 (correspondant au brevet américain NO 4 940 916). Another advantageous embodiment is that where a resistive layer is added between the emitting layer and the cathode. In this case, the resistive layer protects the gate and the cathode from a possible short circuit. Furthermore, this resistive layer is very favorable to the operation of the screen as is announced in EP-A-0 316 214 (corresponding to US Patent No. 4,940,916).

La figure 4 est une vue schématique et en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention avec une couche résistive de protection. Figure 4 is a schematic sectional view of a triode type cathode structure according to the invention with a protective resistive layer.

Cette structure de cathode comprend, en superposition, une cathode 23 supportant une couche résistive 26, une couche isolante 21 et une couche métallique 25 formant grille d'extraction des électrons. Un trou 22 expose la couche résistive 26. Au centre du trou 22, une couche de matériau émissif 24 repose sur la couche résistive 26. This cathode structure comprises, in superposition, a cathode 23 supporting a resistive layer 26, an insulating layer 21 and a metal layer 25 forming an electron extraction grid. A hole 22 exposes the resistive layer 26. At the center of the hole 22, a layer of emissive material 24 rests on the resistive layer 26.

Le fait que la zone émissive soit localisée au centre du trou ou de la gorge, sur une faible largeur, permet une émission directive des électrons et The fact that the emitting zone is located in the center of the hole or throat, over a narrow width, allows a directive emission of electrons and

apporte une solution aux problèmes de résolution. Ceci provient de la valeur très faible de la composante parallèle du champ électrique (EL/Ex < O, l) dans la zone où la couche émissive est localisée. provides a solution to solving problems. This comes from the very low value of the parallel component of the electric field (EL / Ex <O, l) in the area where the emitting layer is located.

Le diagramme de la figure 5 montre la répartition spatiale du champ électrique pour une structure de cathode selon l'invention. Le diagramme est tracé selon l'axe Y, la couche émissive 24 et la couche résistive 26 étant représentées sur le diagramme. La répartition spatiale du champ électrique E est calculée pour une largeur de trou L égale à 14 ism. Dans la zone centrale, de largeur d = 6 gm, la composante latérale Ey référencée 31 est inférieure à 10 fois la valeur minimale de la composante normale référencée 32. En dehors de la zone émissive, le champ latéral référencé 33 et 34 devient d'intensité comparable au champ normal. Le calcul est fait pour une tension de 60 V sur la grille. The diagram of FIG. 5 shows the spatial distribution of the electric field for a cathode structure according to the invention. The diagram is drawn along the Y axis, the emitting layer 24 and the resistive layer 26 being represented on the diagram. The spatial distribution of the electric field E is calculated for a hole width L equal to 14 ism. In the central zone, of width d = 6 gm, the lateral component Ey referenced 31 is less than 10 times the minimum value of the normal component referenced 32. Outside the emissive zone, the lateral field referenced 33 and 34 becomes intensity comparable to the normal field. The calculation is done for a voltage of 60 V on the grid.

Ainsi, les problèmes inhérents aux structures de l'art antérieur sont surmontés. Les problèmes de court-circuit grille-cathode sont supprimés par la localisation centrale et la dimension réduite de la couche émissive par rapport à la dimension de la gorge ou du trou et par la présence éventuelle d'une couche résistive. Le champ électrique induit par la grille est uniforme et ne comporte que des composantes latérales très faibles par rapport à la composante verticale du champ. Thus, the problems inherent in the structures of the prior art are overcome. Grid-cathode short-circuit problems are eliminated by the central location and the reduced size of the emissive layer with respect to the size of the groove or hole and the possible presence of a resistive layer. The electric field induced by the grid is uniform and has only very weak lateral components with respect to the vertical component of the field.

On peut trouver empiriquement une valeur minimale pour la distance S séparant la couche métallique de grille de la couche émissive (voir la A minimum value can be found empirically for the distance S separating the metallic layer from the gate of the emitting layer (see

figure 2). Cette distance est supérieure à la taille h des objets constituant la couche émissive. Ceci est représenté schématiquement sur la figure 6 ou la référence 43 désigne une cathode et la référence 44 une couche émissive. La couche émissive 44 est par exemple constituée de nanotubes de carbone 48. Dans ce cas, la distance S est supérieure à la longueur moyenne h des nanotubes de carbone. Compte tenu des dispersions importantes des longueurs des nanotubes, il est préférable de multiplier cette distance par un facteur de l'ordre de 2 ou 3. Figure 2). This distance is greater than the size h of the objects constituting the emissive layer. This is shown schematically in FIG. 6 where the reference 43 denotes a cathode and the reference 44 denotes an emissive layer. The emitting layer 44 is for example made up of carbon nanotubes 48. In this case, the distance S is greater than the average length h of the carbon nanotubes. Given the large dispersions of the lengths of the nanotubes, it is preferable to multiply this distance by a factor of the order of 2 or 3.

Pour des nanotubes de 1 à 2 Um de longueur, la distance S peut être de l'ordre de 3 à 4 m. Ces valeurs sont simplement indicatives et non limitatives. For nanotubes 1 to 2 μm in length, the distance S can be of the order of 3 to 4 m. These values are merely indicative and not limiting.

On peut vérifier que pour ces dimensions la composante latérale du champ électrique est très faible par rapport à la composante normale. It can be verified that for these dimensions the lateral component of the electric field is very small compared to the normal component.

Les figures 7A à 7F illustrent un procédé de réalisation d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, ce procédé mettant en oeuvre des techniques de dépôt sous vide et de photolithographie. FIGS. 7A to 7F illustrate a method for producing a triode type cathode structure according to the invention, this method using vacuum deposition and photolithography techniques.

Le conducteur cathodique est obtenu par dépôt d'un'matériau conducteur 1 par exemple le molybdène, le niobium, le cuivre ou l'ITO, sur un support 50 (voir la figure 7A). Le dépôt de matériau conducteur est gravé en bandes, typiquement de 10 m de largeur et de pas égal à 25 jim. La figure 7A montre deux bandes qui seront associées pour former une électrode de cathode 53. The cathode conductor is obtained by depositing a conductive material 1, for example molybdenum, niobium, copper or ITO, on a support 50 (see FIG. 7A). The deposition of conductive material is etched into strips, typically 10 m wide and not equal to 25 μm. Figure 7A shows two bands that will be associated to form a cathode electrode 53.

Plusieurs dépôts sont ensuite réalisés comme le montre la figure 7B : une couche résistive 56 de 1,5 Am d'épaisseur en silicium amorphe, puis une couche isolante 51 de 1 Jlm d'épaisseur en silice ou en nitrure de silicium, enfin une couche métallique 55 en niobium ou en molybdène destinée à former la grille d'extraction des électrons. Several deposits are then made as shown in FIG. 7B: a resistive layer 56 having a thickness of 1.5 Am in amorphous silicon, then an insulating layer 51 of 1 .mu.m thick in silica or silicon nitride, and finally a layer metal 55 niobium or molybdenum for forming the electron extraction grid.

La couche métallique 55 et la couche isolante 51 sont ensuite gravées simultanément d'un trou ou tranchée 52 de 15 gm de largeur jusqu'à exposer la couche résistive 56. C'est ce que montre la figure 7C. The metal layer 55 and the insulating layer 51 are then etched simultaneously with a hole or trench 52 of 15 gm width until the resistive layer 56 is exposed. This is shown in FIG. 7C.

La figure 7D montre la structure obtenue après le dépôt d'une couche sacrificielle 57 en résine et la formation dans la couche 57 d'une ouverture 58, de 6 yam de largeur et de 10 à 15 gm de longueur, exposant la couche résistive 56. L'ouverture 58 a une largeur correspondant à la largeur de la couche émissive à réaliser. FIG. 7D shows the structure obtained after the deposition of a sacrificial resin layer 57 and the formation in the layer 57 of an opening 58, 6 μm wide and 10 to 15 μm long, exposing the resistive layer 56 The opening 58 has a width corresponding to the width of the emitting layer to be produced.

Un dépôt catalytique de fer, de cobalt ou de nickel est ensuite réalisé sur la structure. Comme le montre la figure 7E, ce dépôt catalytique provoque la formation d'une couche discontinue de croissance 59 sur la couche sacrificielle 57 et sur la partie exposée de la couche résistive 56. A catalytic deposit of iron, cobalt or nickel is then made on the structure. As shown in FIG. 7E, this catalytic deposition causes the formation of a discontinuous growth layer 59 on the sacrificial layer 57 and on the exposed portion of the resistive layer 56.

La couche sacrificielle est ensuite éliminée par une technique de "lift-off", ce qui provoque l'élimination des parties de la couche de croissance situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de couche de croissance dans la partie centrale de la couche résistive 56. Ceci permet The sacrificial layer is then removed by a "lift-off" technique, which causes the elimination of the parts of the growth layer located on this sacrificial layer. There remains a portion of growth layer in the central portion of the resistive layer 56. This allows

la croissance de la couche émissive 54 comme le montre la figure 7F. the growth of the emitting layer 54 as shown in FIG. 7F.

Claims

A triode-type cathode structure comprising, in superposition, a cathode electrode (13,23,53) and supporting a layer of electron-emitting material (14,24,54), a layer of electrical insulator (11,24,54), , 21, 51) and a gate electrode (15, 25, 55), an opening (12, 22, 52) in the gate electrode and in the electrical insulator layer exposing the emitting material layer of electrons, characterized in that the layer of electron-emitting material (14,24,54) is located in the central portion of the aperture of the gate electrode.

Cathode structure according to claim 1, characterized in that the opening in the gate electrode (15, 25, 55) and in the electrical insulating layer (11, 21, 51) being rectangular, the layer of electron-emitting material (14,24,54) is also rectangular.

3. cathode structure according to one of claims 1 or 2, characterized in that a resistive layer (26,56) is interposed between the cathode element (23,53) and the layer of electron-emitting material (24,54).

4. Cathode structure according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the layer of electron-emitting material is

separated from the gate electrode by a distance greater than the size of the objects (48) constituting the electron-emitting material (44).

5. Cathode structure according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the electron emitting material consists of carbon nanotubes.

6. Cathode structure according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the layer of electron-emitting material is separated from the gate electrode by a distance such that the parallel component of the electric field is at less than ten times weaker than the perpendicular component of this field.

7. Flat screen field emission, characterized in that it comprises a plurality of cathode structures according to any one of claims 1 to 6.